基于CORS用戶端的三維成果智能轉換與管理軟件設計與開發

劉忠，張周平，秦寬

(西安市勘察測繪院，陜西 西安 710054)

1 引言

近年來，隨著我國陸態網絡以及各省市城市CORS網的不斷建設，大量的GNSS連續跟蹤站在源源不斷地進行數據采集。基于這種城市CORS實現的實時網絡RTK技術目前已經成為測繪行業乃至其他如地質、交通、規劃等行業的主要測量手段之一。然而，用戶雖然能夠通過網絡RTK技術實時獲取坐標成果，但由于直接獲得的是WGS－84坐標，在缺少地方坐標轉換參數和水準面模型的情況下，難以直接獲取地方坐標及高程成果，因此也就很難實時開展相關測量工作。而地方坐標轉換參數以及區域似大地水準面成果由于政治和經濟等因素，在商業化應用推廣中尚存在許多現實問題，諸如國家坐標與地方坐標的轉換問題，轉換參數與水準面模型的保密問題，用戶權限的許可問題，用戶行為的控制與約束問題等等，目前坐標轉換參數大多處于保密狀態。因此，常規做法往往是用戶先進行部分數據采集，然后發送給地方主管部門，進行相關解算后將地方坐標發送給用戶，用戶再根據地方坐標成果開展相關測量工作。這使得外業測量工作效率難以實質性提高，無法最大限度地發揮城市CORS的優勢，這些問題都制約著各個省級或城市CORS系統的應用和發展，也制約著經濟效益的提高和測繪科技的進步。鑒于此，本文以西安GNSS連續運行綜合服務系統為例，研制開發了基于CORS用戶端的實時三維成果智能轉換與控制軟件，將保密的數據和參數通過加密手段移植到軟件中，并將軟件直接加載在外業測量觀測手簿上，真正使得外業測量工作實現實時、高效，提高了城市CORS的應用領域和使用效率，同時也維護地方坐標參數和似大地水準面模型的保密性。

2 系統設計

2.1 技術路線思想

目前，對CORS用戶的管理大多由系統本身的數據中心來完成，對用戶的權限許可等管理功能通過數據中心來實現，但如果用戶要實時得到國家系或地方平面坐標系以及實時高程成果，同時又想實現參數的保密，坐標的轉換和大地高的改化工作通常會產生三種方案:第一種是基于網絡的遠程坐標轉換［1］，即流動站把WGS－84坐標信息通過無線網絡發回控制中心，控制中心處理后把轉換后的平面坐標成果和改化后的高程發送給流動站，流動站不涉及任何參數，所有參數都由控制中心管理。第二種是基于服務器端的坐標轉換［2］，該模式基于 Trimble VRS技術，在已有的 CORS系統中增加了一個中間服務器，將VRS信息改化為虛擬基準站，用戶端采用偽七參數進行轉換。第三種是基于用戶端的坐標轉換，該方法是將含有加密參數的轉換軟件加載到手簿，從而實現坐標轉換和高程改化。這三種方案各有優缺點，方案一的優點是軟件開發簡單，兼容性強，對流動站要求低，參數保密效果好，但多了一次數據傳輸工序，數據中心需要增加一臺電腦來控制配合流動站，需要一定成本，同時外業必須有可用的網絡信號支持，因此工作時效低。方案二優點是轉換方便，保密性好，流動站不做任何改動。缺點是成本高，兼容性差，軟件開發困難，參數設置麻煩，且要根據用戶坐標系的需求來變更參數，實用性差。方案三需要針對不同廠家和不同型號的流動站去開發轉換軟件，開發環境和語言比較復雜，但服務效率高、靈活性強、保密性好、實用性強、轉換精度高、成本也相對較低。

目前市場上的RTK手簿主要由Window CE和Mobile操作系統組成，考慮到服務效率以及參數保密性和實用性，本文采取第三種方案作為用戶職能控制的技術路線，并把用戶權限許可、用戶行為控制與約束、軟件和參數加密等功能也集成在流動站，這樣用戶在獲得授權許可的軟件加載后，即可獲得相應的轉換服務。

2.2 系統功能設計

基于流動站的用戶智能管理軟件主要實現以下功能:

①用戶端的坐標實時獲取功能:用戶可在流動站獲得授權許可范圍內的任意坐標系下坐標，轉換參數加密不可見;

②用戶端的高程轉換功能:將似大地水準面格網數據加載到軟件中，實現授權許可范圍內高程成果的實時獲取，且格網數據加密不可見;

③用戶類型與權限許可:可通過客戶端軟件控制不同用戶的使用功能;

④使用時間控制功能:可控制用戶的使用時間，超出授權期限，軟件過期;

⑤使用范圍控制功能;可控制用戶的使用范圍，超出授權范圍，轉換功能失效;

⑥使用內容控制功能:用戶可在管理中心獲取不同坐標轉換和高程轉換的授權，超出授權許可功能，轉換功能不可用。

2.3 數據處理方法

坐標成果轉換的數據處理環節主要包括:空間三維坐標成果之間的轉換、空間坐標系與平面坐標系之間的轉換、用戶點高程異常插值計算等。

對于空間三維坐標成果之間的轉換，本文主要針對XACORS所使用的WGS－84與CGCS2000坐標系之間轉換。這里，采用布爾沙模型，又稱為七參數轉換法［3－5］，具體數學模型如式(1)所示。

對于空間坐標系與平面坐標系之間的轉換，主要針對XACORS所使用的WGS－84與1980西安坐標系、1954年北京坐標系、西安地方系之間的轉換。本文先將WGS－84坐標采用經典高斯正算得到投影后的平面坐標成果，然后在兩平面坐標系之間建立四參數模型，保證轉換精度高于0.1mm。

對于用戶點的高程異常插值計算，本文利用區域似大地水準面格網模型和雙線性內插方法［6］計算流動站的高程異常，從而計算出該點的正常高。具體的雙線性插值計算公式如下所示:

2.4 加密技術

加密技術是有效管理和控制用戶軟件的關鍵，本文同時開發由監管單位管理人員操作的管理員軟件和讓普通用戶使用的用戶軟件。管理員軟件主要的功能是采用特殊的加密算法生成加密文件，通過加密文件來管理用戶軟件的使用權限、使用時間和使用次數等。用戶端的用戶軟件必須和加密文件動態地交互信息才能正常工作，從而達到對用戶軟件的使用權限、使用時間和使用次數進行控制，也實現了用戶軟件不可復制使用等限制功能。

3 軟件開發與應用

3.1 開發環境

基于目前市場上比較主流的幾款流動站:天寶5700、天寶 R8、南方 S82、拓普康 GR －3、徠卡 GS15等，對其配套的手簿進行實時三維成果轉換軟件開發，管理員模塊采用VC6.0編程平臺進行軟件開發，用戶模塊分別采用EVC4.0和VS2008進行不同操作系統的手簿軟件開發。其中，EVC4.0主要針對WinCE4.0以下操作系統手簿開發，VS2008用于WinCE4.0以上手簿和Windows Mobile操作系統的軟件開發，程序語言分別采用標準C和C++語言。

本項目中，天寶 5700系統為 WinCE4.0，采用EVC4.0開發用戶軟件;天寶 R8系統為 Windows Mobile，采用VS2008開發用戶軟件;南方S82系統為WinCE5.0，采用 EVC4.0開發用戶軟件;拓普康 GR －3系統為 WinCE4.2，采用 EVC4.0開發用戶軟件;徠卡GS15系統為 Windows CE6.0，采用 VS2008開發用戶軟件。

3.2 系統軟件模塊

本文的坐標成果軟件主要由兩大模塊組成:管理員加密授權軟件和用戶坐標轉換軟件。兩個模塊的具體工作流程交互關系如圖1所示。

圖1 系統工作流程圖

其中，管理員模塊(如圖2所示)由內業管理員來管理和控制，管理員根據不同的用戶需求進行用戶所需的功能設置，包括坐標系選擇、坐標參數設置、使用時間設置、使用次數設置、使用范圍設置、平面或高程獲取設置，最終生成一個加密控制文件。

圖2 管理員加密授權軟件

流動站用戶應用軟件(如圖3所示)是在RTK智能手簿上安裝的模塊，軟件必須配合管理員模塊生成的控制文件才能夠使用，流動站用戶可將網絡RTK實時采集的WGS－84坐標通過該軟件轉換為所需的坐標類型。

圖3 用戶應用軟件

3.3 系統測試

軟件開發完成后，本文利用XACORS的實測數據對整個系統的功能進行了相應測試，測試內容包括軟件的加密功能、參數的保密功能、不同坐標系下坐標轉換功能、坐標系選擇與限制功能、使用時間次數及范圍限制功能、軟件的兼容性測試、轉換精度測試等。其中，利用76個待測點在用戶軟件上進行了三維坐標成果轉換、二維坐標成果轉換、高程轉換三個環節的精度測試，每個點與給定的實際坐標成果“真值”進行比較，分析得到的殘差RMS指標值，統計精度結果如表1所示。

表1 不同轉換類型的精度測試結果

由表1也可以看出，本文開發的用戶軟件在坐標成果轉換中的精度是能夠滿足mm級轉換要求，可以滿足常規工程應用的需求。

4 軟件系統的主要特色與優勢

(1)軟件設計性能特點:

①軟件界面簡化、操作簡單實用;

②各個模塊可以獨立操作，也可以聯合操作，使用權限和使用范圍可以受控;

③數據保密，成果加密。

(2)保密設計特點:

①軟件安裝使用權限保密;

②原始數據保密;

③使用時間限制;

④使用測區范圍限制;

⑤使用需求限制。

(3)軟件的主要優勢:

①在手簿上即可得到用戶需求的坐標和高程，不需要下載數據或進行后處理，不需要增加中間服務器或終端設備，簡單實用，成本低;

②模塊獨立性強，不同需求用戶的使用權限、使用范圍、使用時間可以有效控制;

③軟件模塊界面上不出現任何原始數據或模型，數據參數保密性好;

④軟件具備加密功能，必須通過驗證才可安裝使用，可以保護版權，且可以升級。

5 結語

經測試，本文開發的軟件內部各個模塊既可以獨立操作，也可聯合操作，用戶的使用權限、使用范圍、使用時間、使用轉換參數可以受控。用戶可實現不同坐標系下的坐標成果和高程，且轉換精度高、參數和數據保密性好。軟件操作簡單、實用，且具備良好的加密功能，必須通過驗證才可安裝使用，且拷貝不可用。該軟件已成功應用于西安市城市規劃測量、地形測圖、高程測量等多個領域，并能兼容天寶、拓普康、徠卡、南方等多種型號的RTK手簿，實現了面向用戶端的智能控制與服務管理，解決了CORS系統在商業應用階段的參數保密等相關問題，推動了CORS系統的應用領域，提高了外業工作效率，為XACORS在西安市的廣泛應用發揮了積極推動作用。

［1］趙新秀，王解先.CORS用戶管理系統的研究與開發［J］，工程勘察，2010(9).

［2］張黎，蒲德祥，夏定輝等.CORS系統實時地方坐標測量的保密模式研究［J］，城市勘測，2010(4).

［3］鄭鳳嬌，李江衛，白潔等.區域CORS用戶管理系統研制與開發，城市勘測，2011(6):81－85.

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［6］鄧興升，郭云開，花向紅.似大地水準面格網雙二次多項式插值方法［J］，測繪學報，2009(1).